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为了降低飞机嗡嗡声 设计师做了哪些努力

2017-08-14 15:14 来源:大飞机报

  伴随着民航业不断地发展壮大,搭乘飞机已经成为国民重要的出行方式。但是,大家是否对飞行中源源不断的“嗡嗡”声感到困扰、家住机场附近的小伙伴们是否也受够了飞机震耳欲聋的噪音呢?其实,大家就是想“静静”嘛。现代民机设计已经将声学性能列为至关重要的指标,为了“静静”设计师们可谓是花费了大量心血,这就要从飞机的噪声说起。

  不同飞行阶段的噪声来源

  大型民机外部噪声主要可分为发动机噪声和机体噪声。在不同的飞行阶段,飞机不同噪声源所占飞机总噪声水平有所不同,如在起飞阶段,发动机噪声占比更高。在降落阶段,机体噪声比重增加。

  发动机噪声主要包括风扇前传噪声、风扇后传噪声、喷流噪声、燃烧噪声等。随着发动机技术的发展,发动机不同的噪声所占比重有所不同,早期发动机喷流噪声占主导地位,而现代大涵道比发动机显著降低了喷流噪声,与风扇噪声达到了相当的水平。

  此外,类似于前缘缝翼、后缘襟翼这些增升装置所带来的噪声也不可小觑,这些噪声是由气流流经飞机引起的压力扰动导致的,其本质是空气动力噪声。对于前缘缝翼而言,前缘缝翼下沿的尾涡脱落和凹槽区内的不稳定脉动是噪声产生的主要原因,包括剪切层内涡与涡的相互作用、再循环区以及再附着区附近涡与固体壁面的相互作用;对于后缘襟翼噪声而言,主要发生在襟翼打开时,由于展向升力的突然改变,在襟翼侧缘产生很强的涡,包括高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡,这两种不同尺度的涡形成了其主要噪声源。

  当然,飞机起飞着陆时打开的起落架也会带来强烈的噪声,这是由于气流在起落架舱的腔室内震荡,产生钝体分离流动和非定常载荷导致的。

  想尽了办法让飞机变安静

  看到这么多的噪声,小伙伴们是否已经感到“凌乱”,气动声学工程师们可是想尽了办法让飞机变成“静静”,主要有两类办法:对噪声源采取措施,抑制其产生和发展;在声音的传播过程中采取相关措施,改变其指向性以及声音强度。

  对于增升装置噪声的控制,由于其与流动结构相关,研究人员采用缝翼凹面填充技术或连接襟翼的方式进行降噪,即通过改变缝翼下表面的形面从而改变流动特性以达到降噪的目的。当然,还可以采用声衬技术降低缝翼噪声。

  针对发动机噪声,可以通过增大涵道比、降低风扇转速、优化设计风扇翼型等方法降低风扇噪声和喷流噪声。但即便如此,发动机噪声依然占飞机总噪声很大的比重。因此在无法改变风扇噪声的情况下,采取第二种降噪手段,即在风扇噪声传播过程中采取相关措施,改变其指向性以及声音强度。从理论上讲,声波在多孔蜂窝结构里,由于反复反射中空气的摩擦和阻尼特性,使得声能量得以耗散,从而削弱噪声。现在大型客机普遍采用这样的策略,在短舱风扇进出口位置铺设声衬以实现降噪。

  再来说说喷流噪声的控制,研究表明,通过将喷嘴设计成锯齿形,可以影响喷流剪切层的发展,从而将流场中的大尺度涡打碎成小尺度涡。这样声源的频谱特性发生了改变,其能量分布由低频往高频偏移,而高频声波在传播过程中衰减更快,因此可以大幅度降低喷流噪声。

  经过近5年的不懈努力,中国商飞北研中心气动与声学研究部针对飞机的不同噪声源开展了不同方法的研究工作,比如喷流噪声,分别开展了数值模拟和实验测试研究工作,初步开发了喷流噪声快速预测工具等。这些扎实的关键技术研究,将为项目中声学设计的顺利开展提供强有力的技术支持。(张颖哲)

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